高炉长寿技术是一项涉及炉型设计、操作制度、冷却制度、耐火材料质量等方面的综合技术。近年来，随着炼铁技术的发展，高炉的利用系数不断提高，对高炉的耐火材料和冷却系统就提出了更高的要求。铜冷却壁的应用保证了炉腹以上部位的安全性，限制高炉长寿的环节转移至炉缸炉底的寿命。近几年高炉炉缸烧穿事故时有发生，造成了严重的经济损失，不合理的炉缸炉底结构是造成短命和烧穿事故的原因之一。因此，高炉炉缸选用合适的耐火材料非常重要。

01高炉炉缸耐火材料的应用现状

目前，高炉炉缸部位采用的耐火材料主要包括3种：以碳素为基质的炭砖;以氧化铝为基质的刚玉质砖;碳素和氧化铝适当比例复合的碳复合材料。

1.1炭砖

炭砖的种类很多，按石墨化程度、焙烧制度、添加剂种类等可分为高密度炭砖、微孔炭砖、超微孔炭砖、半石墨质块、石墨质块、高温模压炭块、自焙炭砖等。炭砖的优势在于其高导热性，热导率一般在10W/(m·K)以上。炭砖炉缸结构体现了“传热学”在高炉冷却系统中的应用，利用炭砖的高热导率将热量传递给冷却系统，从而实现降低炭砖热面温度，并在炭砖和铁水间形成保护层，达到保护炉缸内壁的目的。

实际生产中，高炉开炉初期无法迅速形成保护层，炭砖直接接触高温铁水，侵蚀剧烈。高炉运行中，也经常因为操作、原料发生变化，保护层不能稳定存在。一旦保护层消失，便加速炭砖侵蚀。

国外部分炭砖的性能指标见表1。从国外高炉应用情况来看，萨尔茨吉特、内陆钢、HKM、劳塔鲁基、希德马、塔塔克鲁斯和ROGESA等高炉炉缸侧壁都使用了微孔炭砖。塔塔克鲁斯艾莫伊登倾向使用石墨和半石墨块，原因在于其拥有丰富的炉皮喷水冷却经验，借助石墨良好的导热能力使铁水凝固。萨尔茨吉特B高炉新一炉役炉缸采用高导热薄壁结构，炉底石墨层上部使用大块炭砖，大块炭砖的优势在于可以减少接缝处理，弹性模量较低。中国武钢5号高炉、宝钢1号和2号高炉采用过日本的BC-7S和法国的AM-102炭砖，寿命都达到了10年以上。

1.2刚玉质砖

刚玉质砖以氧化铝为基质，添加少量添加剂，利用氧化铝优良的抗铁水溶蚀性，提高了砖衬抵御高温铁水的能力。目前，刚玉质砖的应用主要是以陶瓷杯的形式与炭砖搭配使用。陶瓷杯结构是指在高炉炉缸炭砖内侧砌筑陶瓷材料，利用陶瓷材料优良的抗铁水溶蚀能力将炭砖和铁水隔开，减缓铁水对炉缸侧壁的侵蚀，将800℃等温线侵蚀线留在了陶瓷杯内，降低了碱金属对炭砖的侵蚀程度。

实际生产中，陶瓷杯结构也出现了不足之处：

(1) 陶瓷杯仅在开炉之后起保护作用，待刚玉质砖被侵蚀殆尽之后，剩余的炭砖直接接触铁水，陶瓷本质上是延缓了侵蚀进度;

(2) 由于陶瓷杯的热导率较低、热阻大，使得炉缸部位的冷却系统难以发挥作用。

国内外部分陶瓷杯用刚玉质砖的性能指标见表2。从国外应用情况来看，包括蒂森·克虏伯在内的不少国外厂家都选择了陶瓷杯。蒂森·克虏伯钢铁公司施韦尔根2号高炉大修时炉缸采用了陶瓷杯结构。侧壁陶瓷杯正常使用寿命为5～6年，要进一步延长炉缸使用寿命，就要发挥冷却系统的作用。中国首钢1号高炉是国内第1座采用SAVOIE公司陶瓷杯炉缸的高炉，效果较为明显。

1.3碳复合材料

碳复合材料是一种新型的炉缸耐火材料，以河南五耐集团研发的碳复合砖为例。碳复合砖合理地将碳组分引入到氧化铝中，进行陶瓷材料与碳素材料的复合。碳复合砖结合了炭砖和陶瓷杯的优点，利用炭组分在其内部形成了类似“导线”的结构，提高了热导率，同时具备了陶瓷材料优良的抗侵蚀性能。实际生产中，碳复合砖利用其高热导率在铁水与砖面接触面形成保护层，又利用其高抗侵蚀性保证了保护层不能稳定存在时炉缸部位的安全。碳复合砖的性能指标见表3。

日本新日铁一直致力于此类复合材料的研发，1975年所研发的CBD-1就是在炭砖中引入了氧化铝，并在新日铁Ohita厂2号高炉应用，炉役达到了14年。此后，新日铁在此基础上，通过引入硅、钛等元素或改变黏结剂和碳素材料种类，研发了一系列高炉炉缸用耐火材料，其目标都是同时提高耐火材料的热导率和抗侵蚀性能。

综上所述，炭砖结构利用其高导热性能充分发挥了冷却系统的作用，但难抵御高温铁水的溶蚀;陶瓷杯结构充分发挥其较高的抗侵蚀性，将炭砖与铁水隔离开来，却难以发挥冷却系统的作用;碳复合砖兼顾了炭砖和陶瓷杯的优势，实现“自保护”和“他保护”结合，是新一代炉缸炉底耐火材料的发展方向。

02高炉炉缸耐火材料的重要技术指标

炭砖、陶瓷杯用刚玉质砖和碳复合砖，这3种耐火材料的具体性能指标一直是耐火材料研发者和耐火材料选用者关注的焦点。耐火材料的技术指标众多，从炉缸部位耐火材料的研发历程和选用原则来看，关注的主要是热导率、铁水溶蚀指数、抗炉渣侵蚀性和微气孔化指标这4种重要技术指标。因此，正确理解这4项指标的作用机理，无论是对耐火材料企业还是钢铁企业都尤为重要。

2.1热导率

热导率是炉缸用耐火材料的最重要性能之一，即使耐火材料具备较高的抗侵蚀性，也只能减缓侵蚀速率，如目前应用较广的陶瓷杯结构，也会在炉役后期完全被侵蚀。因此，在耐火材料表面形成保护层是延长炉缸寿命的正确理念。

炭砖和刚玉质砖的导热分别由石墨晶格振动和Al2O3晶格振动决定，而碳复合砖的导热由石墨晶格振动与A2O3晶格振动共同决定。从表4可以看出：(1)炭砖的热导率与刚玉质砖的热导率相差比较大。这是因为碳晶格振动的导热能力强于Al2O3晶格的导热能力。(2)炭砖和刚玉质砖的热导率大致随温度增加而增加。因为对单一材料或振动频率相同的复合材料，随温度升高，声子运动加强，所以热导系数增大。(3)碳复合砖的热导率随温度增加而减小，这是由于碳与Al2O3声子振动频率不同，声子间的相互作用或碰撞加强，对平衡位置的偏移加强，引起的散射加剧，从而使导热载体声子的平均自由程减小，从而导致热导率随温度升高而下降。

若炉缸内部形成保护层，就需要将1150℃铁水凝固线推至砖衬热面以外，根据传热学知识，可以计算形成保护层砖衬所需的最小热导率。计算的初始数据如下：冷却水流速v取1.5m/s，水的密度取1000kg/m3，冷却壁水管内径厚度取65mm，冷却水比热容取4186J/(kg·℃)，水温差Δt取0.3℃，每块冷却壁面积取1.91m2，每块冷却壁上有4条冷却管道。通过式(1)可以计算热流强度，计算得到热流强度为13.1kW/m2。

式中：c为冷却水的比热容，J/(kg·℃);m为每秒每根水管流过的冷却水质量，kg/s;Δt为冷却水冷却前后温差，℃;ρ为冷却水的密度，kg/m3;d为冷却水管道直径，m;A为每块冷却壁的面积，m2;v为冷却水流速，m/s。

根据热流强度与总热阻的关系，可以计算出总热阻R为0.086(m2·K)/W，铁水温度Tw取1423K(1150℃)，冷却水温度Tm为303K(30℃)。计算公式为

式中：Tw为铁水温度，K;Tm为冷却水温度，K;R为近似总热阻，(m2·K)/W。

炉缸部位传热由铁水对流换热、砖衬导热、捣打料导热、冷却壁导热、冷却水对流换热5部分组成，由于捣打料和冷却壁的热导率较大，因此考虑炉缸传热热阻时，总热阻可近似由铁水对流换热、砖衬导热和冷却水对流换热3部分组成。铁水与耐火材料的对流传热系数取75W/(m2·K)，水与管壁间对流传热系数取7016W/(m2·K)，砖衬厚度L取1m，总热阻可写为

式中：α1为铁水对砖衬的对流换热系数，W/(m2·K);L为砖衬厚度，m;λ为砖衬的热导率，W/(m·K);α2为冷却水对壁管的对流换热系数，W/(m2·K)。

通过式(3)可以求出砖衬的热导率λ为13.865W/(m·K)。因此，只要炉缸耐火材料的热导率近似或大于13.865W/(m·K)，就可以将1150℃铁水凝固线推至砖衬热面外部。美国NMA炭砖和碳复合砖均符合这一要求。

2.2铁水溶蚀指数

高炉破损调研结果表明，炉缸部位的侵蚀主要是铁水溶蚀、铁水渗透侵蚀及铁水环流的机械磨损。耐火材料的铁水溶蚀指数代表其抵抗高温铁水机械冲刷和化学溶蚀的能力，直接关系到耐火材料的侵蚀状况。

铁水的溶蚀机理如下：(1)高温铁水与砖衬热面接触(图1(a));(2)高温铁水渗入砖衬热面的气孔内，促进砖衬基质的溶解，随着温度变化，铁水经历凝固、熔化、再凝固的循环过程(图1(b));(3)由于铁水不断侵入，砖衬的力学性能和内部温度梯度发生变化，产生剪切应力(图1(c));(4)剪切应力达到临界值时，砖衬被折断并发生粉化(图1(d))。

从表5中可以得出，刚玉质砖和碳复合砖的铁水溶蚀指数优于炭砖，且接近于不侵蚀状态。这是由于刚玉质砖中的Al2O3基本不与高温铁水发生反应，具有很强的抗溶蚀能力;而碳元素易溶于高温铁水中，抗溶蚀能力弱。碳复合砖正是利用了Al2O3的这一特性，减少了碳元素直接接触高温铁水的面积，使碳复合砖的铁水溶蚀指数接近于刚玉质砖的性能指标。

2.3抗炉渣侵蚀性

渣相开始形成时FeO质量分数较高，对耐火材料有很强的侵蚀性。炉缸部位的耐火材料同样也会受到炉渣的侵蚀，如果用于炉缸部位的耐火材料抗渣侵蚀性差，砖衬就会很快被侵蚀。武钢高炉炉身下部曾用高铝砖或黏土砖砌筑，虽然厚度很大，但生产2～3年就被侵蚀殆尽，主要是因为这些耐火材料的抗炉渣侵蚀性很差。

从表6中可以看出，碳复合砖和炭砖的抗炉渣侵蚀性较好，远低于刚玉质砖的抗炉渣侵蚀性。刚玉质类的耐火材料抗渣性能之所以较差，是因为在高温熔融状态下炉渣中的CaO和SiO2与Al2O3发生反应生成CaO·6Al2O3和2CaO·Al2O3·SiO2等矿物不断熔入炉渣中，从而使砖衬不断被侵蚀，在砖衬和炉渣界面附近形成的反应层和尖晶石富集层及其所含的矿物对砖衬的侵蚀均有重要影响。而碳元素基本不与渣相中的各类氧化物反应，所以表现出来的抗侵蚀性能较好。

2.4微气孔化指标

耐火材料的微孔化指标包括透气度、平均孔径和小于1μm孔容积率容炉缸部位耐火材料的微孔化指标与侵蚀程度有关，包括铁水的渗入，锌、碱金属的化学侵蚀，CO2和水蒸气的氧化侵蚀等。微气孔化指标的提高可以抵御或减缓部分侵蚀的发生。除此之外，微孔化指标的提高也有利于提高砖衬的力学性能，抵御铁水冲刷带来破坏，同时减少热应力导致的“环裂”现象发生。

提高耐火材料微孔化指标的措施主要通过引入硅、铝等元素，利用其在焙烧过程中形成的晶须填补空隙。例如，在原料中引入了一定量的硅元素，经研究发现在焙烧过程中形成了Si—O—N晶须，此晶须填补了原来空隙的位置，提高了耐火材料的微孔化指标。综合表7中的3项指标可以得出，碳复合砖的微气孔化指标较为理想。

从以上分析来看，高炉炉缸的侵蚀机理受多种复杂因素共同影响，对炉缸部位耐火材料的质量提出了更高的要求。耐火材料的各种性能指标是互相影响的，因此不应强调单一性能的提高，应注重各项性能协调综合提高。通过几种耐火材料的对比，表明碳复合砖的综合性能优于炭砖和刚玉质砖，更适用于高炉炉缸部位。

03结论

(1) 综合分析热导率、铁水溶蚀指数、抗炉渣侵蚀性和微气孔化指标这4项重要技术指标，碳复合砖的性能指标优于炭砖和陶瓷杯，更适用于高炉炉缸部位。

(2) 碳复合砖的热导率接近于美国NMA炭砖的水平，因为Al2O3基质中引入了碳元素，增强了整体的导热能力;碳复合砖和刚玉的铁水溶蚀指数低于炭砖，因为Al2O3可以降低耐火材料的铁水溶蚀指数;碳复合砖和炭砖的抗炉渣侵蚀性优于刚玉质砖的抗炉渣侵蚀性，因为碳元素基本不与渣相中的各类氧化物反应;碳复合砖的微气孔化指标优于炭砖和刚玉质砖，因为引入了硅元素，其在焙烧过程中形成的晶须填补了空隙。因此，碳复合材料是新一代炉缸炉底耐火材料的发展趋势。

(3) 耐火材料的各种性能指标相互影响，应用在高炉炉缸部位的耐火材料不能追求某一指标的发展，应注重各项指标协调综合提高。